低副瓣微带天线设计_米添.pdf

磁性材料及器件 第 54 卷 第 3 期 2023 年 5 月 100 低副瓣微带天线设计米添，陈森，王娇妮，张涛，任家怡（中国电子科技集团公司第二十九研究所 四川省宽带微波电路高密度集成工程研究中心，四川成都 610036)摘要：针对传统低副瓣天线工作带宽窄的问题，设计了一种应用于低副瓣天线阵列设计的新型宽带微带天线单元。通过采用H型槽耦合馈电方法，天线单元工作带宽达到11%以上。同时，为实现天线阵列的宽频带工作特性，对宽带馈电网络进行了专门设计。馈电网络采用串、并结合的馈电方式，利用阻抗变换节实现所需要的天线单元馈电幅相分布。基于所设计的天线单元和馈电网络，设计了一种基于道尔夫-切比雪夫电流分布的C波段微带天线阵，并对天线进行了加工、测试。测试结果表明，所设计的天线具有低副瓣、窄波束、高增益的特性，天线的旁瓣电平抑制大于20 dB。关键词：宽频带；H槽耦合；低副瓣；串馈中图分类号：TN82文献标识码：A文章编号：1001-3830(2023)03-0100-05DOI:10.19594/ki.09.19701.2023.03.017著录格式：米添,陈森,王娇妮,等.低副瓣微带天线设计J.磁性材料及器件,2023,54(3):100-104./MI Tian,CHEN Sen,WANG Jiao-ni,et al.Design of low-sidelobe microstrip antenna J.Journal of Magnetic Materials and Devices,2023,54(3):100-104.Design of low-sidelobe microstrip antennaMI Tian,CHEN Sen,WANG Jiao-ni,ZHANG Tao,REN Jia-yiTwenty-nineth Institute,Sichuan Province Engineering Research Center for Broadband Microwave Circuit High Density Integration,China Electronic Technology Group Corporation,Chengdu 610036,ChinaAbstract:In order to solve the problem of narrow operating bandwidth of traditional low-sidelobe antennas,a new broadband microstrip antenna element is designed for low-sidelobe antenna array design.By adopting the H-slot coupling method,the working bandwidth of the antenna element reaches more than 11%.At the same time,to realize the broadband operation characteristics of the antenna array,the broadband feeding network is specially designed.The feeding network adopts the combination of series and parallel feeding mode,an the impedance transformation section is used to realize the required amplitude and phase distribution of the antenna element feed.Based on the designed antenna element and feeding network,a C-band microstrip antenna array based on Dolph-Chebyshev current distribution is designed,and the antenna is farbircated and tested.The test results show that the proposed antenna has the characteristics of low sidelobe,narrow beam and high gain,and the sidelobe level suppression of the antenna is greater than 20 dB.Key words:wide band;H-shaped coupling slot;low-sidelobe;series-fed1 引言微带天线是微波天线中的一个重要分支，具有重量极轻、尺寸小、剖面超低等优点1-5，在雷达、电子战、通信等多个领域得到了广泛的应用6-10。通常，微带天线工作频带较窄、馈电结构对天线辐射影响严重，这些缺点严重限制了其更广泛的应用。1985年，Pozar11提出了一种采用矩形缝隙进行耦合馈电的微带天线，这种天线构型采用辐射层与馈电层插入接地板隔离的方式消除了馈电层和天线辐射体之间的影响，克服了由常规馈电结构带来的电感效应和寄生辐射等缺点，但其带宽不够理想，在很多场合有一定的应用局限。为了扩展微带天线的工作带宽，研究者先后提出了多种带宽拓展措施12-14，包括采用多层贴片的结构、使用低介电常数材料作为天线介质材料、改变馈电网络电路等方法15。这些方法极大的拓展了微带天线的工作带宽，为微带收稿日期：2022-07-12 修回日期：2022-11-24通讯作者：米 添 E-mail:米添等：低副瓣微带天线设计 101 天线的广泛应用奠定了基础。低副瓣天线具有波束窄、增益高、副瓣低等优点，能够显著的降低主瓣外方向的电磁干扰，因此被广泛的应用于雷达、通信、探测等无电线领域。传统的低副瓣天线通常具有较窄的工作带宽，在一定程度上限制了其应用。为此，本文设计了一种面向宽带低副瓣天线阵列应用的新型微带天线单元结构。采用H型槽耦合馈电的方法，实现天线频带的展宽。宽带馈电网络进行了专门设计，采用串、并结合的馈电方式，降低馈电网络复杂度，并拓展馈电网络的工作带宽。在此基础之上，设计了一种基于道尔夫-切比雪夫电流分布的C波段微带天线阵，并对天线进行了加工、测试，以期获得更宽频带、超低副瓣的微带天线阵。2 结构与原理微带天线是在带有金属作为接地面的介质基片上覆以金属贴片形成的天线，可通过同轴结构或微带传输线进行馈电，在接地面和贴片之间激发起辐射所需的电磁场，通过接地板同贴片四周之间的缝隙产生对外辐射，因此，微带天线通常也可以等效为缝隙天线的一种。微带天线的辐射场由贴片边缘和接地面之间的边缘场产生。图1显示了矩形贴片微带天线的辐射原理，贴片长L约为半个介质波长g/2，宽为W，厚度为t，介质基片的相对介电常数为r，厚度为h，辐射缝隙宽度L约等于介质基片厚度。可以将辐射贴片、介质基片和接地面视为一段长为g/2的低阻微带传输线，传输线两端截断形成开路。由于基片厚度hg，故可认为电场沿微带结构的宽度与厚度方向没有变化。在主模情况下，电场大小沿着微带贴片的长度方向呈周期变化(图1b)。辐射的电磁场主要由贴片的两个开路处边缘场组成，而这两个开路端的电场又可以等效分解为垂直分量和水平分量，由于贴片长约为g/2，两开路端辐射电场垂直分量大小相同、方向相反，在远区沿贴片法向相互抵消，而两开路端辐射电场水平分量大小相同、方向相同，其合成场同相叠加，因此微带贴片天线极化方向沿着贴片长度方向。单元方形微带天线贴片尺寸计算如下(e为有效介电常数)：W=c2f(r+12)-1/2(1)L=c2fe-2l(2)e=r+12+r-12(1+12hW)-1/2(3)l=0.421h()e+0.3()hW+0.264()e+0.258()hW+0.8(4)3 天线设计与结构3.1 天线单元微带天线通常可以通过同轴线、微带传输线等结构进行直接馈电，也可以通过缝隙等方式进行耦合馈电。耦合馈电由于引入了电容效应，能够抵消一定的天线和馈电的电感效应，因此带宽相比于直接馈电方式更宽。为了展宽微带天线带宽，本文采用H槽耦合馈电的方式对微带天线进行馈电，以拓展天线的工作带宽。H槽形状结构的耦合馈电微带天线如图2所示。天线由两层分离的微带线介质板构成，辐射体呈悬置状印刷在上端介质板的底部，而馈电线与反射板分别位于下层微带介质板的两侧。上层介质板与下层介质板之间保留一定的间隔，即引入一定厚度的空气层将两层介质板隔开。空气层的引入，能够有效地降低微带天线的介质板的等效介电常数，进而实现天线带宽的进一步拓展。天线用50 阻抗的开路微带线作为馈电线，激励处于反射地板上的H型耦合槽，实现对金属辐射贴片的馈电。由于H槽馈电结构的存在，辐射贴片(a)侧视图L1/2gLh辐射缝隙w(b)正视图图1 微带天线辐射原理磁性材料及器件 第 54 卷 第 3 期 2023 年 5 月 102 和微带结构馈线之间的电容效应得到了进一步增强，有效抵消了部分天线的电感效应，扩展了微带天线的带宽。通过对H槽的尺寸以及开路枝节Lf的长度进行优化调节，改变电参数来匹配天线的输入阻抗，实现微带天线的宽频带工作。采用基于全波分析法的IE3D软件对H槽耦合微带天线阵元进行了仿真设计，使用的介质板为聚四氟乙烯板，其相对介电常数r=2.6，厚度h=0.508 mm；铜箔厚度t=0.018 mm，tan=0.007。天线辐射单元的长和宽相等，L=W=20.2 mm；开槽结构为Ls=5 mm，Ws=1.1 mm。模型中采用的馈电开路线宽度设置为Wf=1.6 mm，开路馈电线末端到“H”槽中心线的长度为Lf=2.4 mm。天线的仿真模型如图3所示。天线回波损耗及阵元方向图仿真结果如图4所示，从图中能够看到，天线在5.62 GHz5.83 GHz的频段范围内具有良好的阻抗匹配（回波损耗小于10 dB）。天线具有较高的辐射特性，天线方向图前后比大于30 dB。3.2 馈电网络副瓣电平是大多数天线应用场景的一个相当重要参数，而常规的均匀线阵其理论副瓣电平只比主瓣低13.7 dBc，往往无法满足系统需求。要进一步降低天线阵的副瓣电平，可以通过不同的电流相位和幅度分布来对辐射元进行激励实现。串馈网络具有结构简单、损耗低的优点，但对于串馈微带天线阵而言，其每一个辐射元的相对位置都是固定的，要实现更低的副瓣电平就只能锥削电流幅度。在本设计中，用不同的阻抗变换馈电线通过锥削电流幅度的方式实现串馈形式微带天线阵的低副瓣电平16。通过指标分析，拟采用6元阵来实现该低副瓣微带天线，其电路原理图如图5所示。空气间隙辐射贴片馈电线耦合槽空气间隙辐射贴片馈电线耦合槽(a)结构图SWsWf馈电端口LWLsLf(b)示意图图2 H槽结构耦合馈电微带天线结构示意图图3 天线阵元仿真模型 5.4 5.6 5.8 6 6.2 25 20 15 10 5 0 f/GHz 回波损耗/dB(a)回波损耗(b)方向图图4 天线阵元仿真结果米添等：低副瓣微带天线设计 103 图中YA是每一个辐射贴片单元的输入导纳，单元之间都插入一段四分之一波长微带馈电线，通过不同的阻抗变换线来实现馈电所需的切比雪夫电流分布，四分之一波长阻抗线Zc1、Zc2的导纳分别是Yc1、Yc2，从i端口以及i+1端口分别向右看去，可以得到两个不同的输入导纳Yi和Yi+1，则有Yi=YA+Yi;Yi=(Yc2Yc1)2Yi+1=n2iYi+1即 Yi=YA+n2iYi+1;ni=Yc2Yc1=Zc1Zc2(5)对N=2n=6元线阵，右侧3元阵的输入导纳Yin=YA(1+n21+n21n22)(6)即右侧输入阻抗Zin=ZA()1+n21+n21n22(7)所设计线阵总的输入阻抗Zi